CN103570124A - 一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现有废水处理系统提标改造和中水回用的技术，具体是一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的工艺，本发明是现有污水处理系统出水的深度处理，反应池采用网状填料培育以自养型微生物为主的生物降解体系，反应池通过折流隔板分割为3-11格，最后一格设置浮力式滗水器收集表层水作为出水，出水再进入无机膜分离器过滤，滤出水直接排放或回用，浓缩水回流至反应池第一格再继续进行降解。本发明的优点从微生物学的角度，构建了以自养型菌种为主微生物群体结合膜高效分离的深度处理工艺路线，设计合理、工艺可行、操作简便、占地面积少、运行成本低、净化效果好。

Description

一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法

所属技术领域

本发明专利涉及环境保护与资源综合利用技术领域，特别涉及同步深度脱除废水中难降解有机物、氮磷、悬浮物的工艺，可广泛应用在现有污水处理设施提标改造和中水回用上。

背景技术

随着水资源危机日益突出和国家环保排放标准的日益严格，现有污水处理厂和污水处理站均面临着更高的提标改造压力，并且废水深度处理后回用也成为废水产生单位需要解决的问题。目前大多数污水处理厂采用生物法二级处理工艺体系，主要依靠异养微生物降解废水中可生化有机物，经处理后废水污染物浓度大幅降低，但仍难达到新排放标准的要求，尤其对于工业废水比例高、污水浓度高、成分复杂的污水处理厂。其处理后废水的特征是COD_Cr浓度高、BOD₅浓度低、氨氮和总氮浓度高，以及存在高悬浮物和总磷的情况，仅通过挖掘和强化现有二级生化处理系统，已经很难达到排放及回用标准的要求。

目前针对该类废水提标改造解决方法主要有各种过滤技术、曝气生物流化床技术和曝气生物滤池技术等。其中单纯过滤技术效果保障性不足，只对悬浮物处理效果好，深度脱碳脱氮效果不佳；BAF曝气生物滤池和曝气生物流化床技术可视为三级生物处理，通过载体或填料有效增大微生物接触面积，提高处理效果，该工艺可视为前序二级生物法的延续，因废水B/C比低，常常与臭氧氧化等高级氧化处理法结合，而且反冲洗水或出水需再次进行混凝沉淀或砂滤，导致占地面积、投资和运行成本均显著增加，而且存在传质效率不高、载体生物量不大等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有污水处理设施提标改造，提供一种不需外加碳源、能同时降低COD、氨氮和总磷、出水水质好、运行成本低、占地面积少的方法。

一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理方法，其特征在于：

(1)采用易生物吸附、空隙率高、弹性好、韧性强、化学性能稳定的新型网状填料，该填料空隙率达5ppi，有机负荷高达8.5kgBOD₅/(m³·d)，比表面积在18-45m²/g间；该填料显著特征是固定化微生物后载体平均密度与水的密度十分接近，载体在水中呈稳定的悬浮状；该填料为网型宽孔高分子载体，填料在生产过程中进行催化和改性处理，表面带有某些亲水性基团以及氨基、羧基、环氧基等活性基团，能与微生物肽链氨基酸残基链接形成离子键结合或共价键结合，进而将微生物及生物酶固定在载体上，该载体不仅适合真菌、丝状菌和菌胶团等微生物吸附挂膜，还适合多种捕食细菌的原生动物和后生动物，能够形成了具有稳定食物链的微型生态系统，因此污泥产生量很小。基于填料结构形式，反应池内部可同时实现无数个好氧、缺氧和厌氧状态的微小区域，并可在流化状态下相互转换，具有优良的脱氮效果。另外该填料切割气泡能力强，空间体积利用率大、无死区等特点，使用后反应池体有效体积在95％以上。

(2)该工艺结合载体流化、固定化微生物技术，采用适应低碱度、低pH值水质且抗负荷波动的特种优势细菌。该类菌种显著特点是以自养型微生物为主，与前端二级处理中起主要作用的异养型菌种不同，该类菌种对BOD₅浓度要求低于35mg/l，且越低越好，以防止异养菌菌种成为优势菌种，所以反应系统不需要外加碳源，运行成本大大降低。

(3)本发明反应池体上设进水口和出水口，中间设多级折流隔板，将反应池分割为多个部分，排列可为均匀分布或不均匀分布，数量设置在3-11个间，主要作用为提高传质效率，增加污水与载体的接触；折流隔板间设置上拦截网和下拦截网，可将生物填料固定在中间。第一级折流板区域拦截网下方设置穿孔曝气管和回流浓缩水管，池体底部设置污泥收集沟和排泥管。

(4)出水采用过滤精度高、通量大、稳定可靠的无机膜分离器，尤其是采用高通量的碳化硅膜、复合陶瓷膜、不锈钢膜，实现高效分离，从而有效保证高效的脱磷效果。根据出水排放或回用要求，过滤精度可选范围在0.05-10μm；采用错流过滤，流速可选范围1-5m/s，推荐2m/s；根据进出水量和场地面积，过滤压力可选0.1-10MPa，综合占地、投资和能耗间平衡，设计推荐1-3MPa。

(5)采用分离和回流无缝衔接的工艺组合。经无机膜分离器分离的清水直接排放或回用，浓缩水返回至反应池体第一级，通过浓缩水管回流，该设计可大幅延长污水中污染物停留时间，理论上可将反应器有效反应时间延长至无限，解决了氨氮和难降解有机物降解需要较长时间污泥龄和短水力停留时间的矛盾，可充分保证污染物得到降解，在处理高氨氮及总氮和难降解有机物的分解上具有显著优势，同时大幅降低反应器占地面积和容积，显著减少投资。

(6)本发明创造出高效的流化作用，同时实现高效节能曝气。以上作用的实现主要通过两个设置来完成：一是曝气采用易维护、成本低、水头损失小、扰动大的穿孔曝气管，所产生的气泡能够充分扰动填料层，实现流化效果，同时气泡被网状填料切割成细小气泡，增加了氧的利用率，可减小曝气量；二是池体出水采用集水面积大的可调浮力滗水器，主要收集池体表层水。由于大气氧分压的存在，表层水中超饱和富氧水含量高，经收集和膜分离后直接通过布水管回流至反应池，在实现回流冲刷的同时，增大水体溶解氧量，进一步减少曝气量。

作为优选，上述一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其中折流隔板将反应池分割为多个部分，排列可为均匀分布或不均匀分布，数量设置在3-11个间。虽然经过大量实验，本发明中隔板排列形式为不均匀分布时，也具有良好的效果，但效果稳定性存在隐患，建议采用均匀分布，能保证更加稳定的出水；另外根据实际应用情况，将池体分割为4-6级，处理效果和投资运行间成本最为理想。

作为优选，上述一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其中无机膜分离器相对有机膜分离器，具有通量更大、性质更稳定、坚固耐用、可反向冲洗、易清洗再生的优点，更加适合作为废水深度处理和回用系统。经试验和应用研究，无机膜分离器中采用碳化硅膜最佳，理由是过滤通量最大，冲洗再生频次最少，一般一天至一周冲洗一次。而且膜分离器为外置式，便于维护，且为多组并联排列，可分别依此冲洗再生和维护，实际运行效果可靠、使用方便。

作为优选，上述一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其中无机膜分离器过滤精度可选范围在0.05-10μm，根据多次试验的经济性评价，在满足排放标准的情况下，过滤器精度选在3-5μm时，处理效果稳定，经济性最突出；在满足回用标准情况下，根据回用标准要求，过滤器精度可选在0.05-1μm，出水可直接进入RO系统。

本发明的目的包括如下装置：池体、折流隔板、进水口、上拦截网、填料、下拦截网、穿孔曝气管、浓缩水回流管、清水区、集泥区、排泥管、滗水器、无机膜分离器。

有益效果：本发明设计合理、工艺可行、操作简便、占地面积少、运行成本低、净化效果好，从微生物学的角度，构建了以自养型菌种为主微生物群体结合膜高效分离的深度处理工艺路线，对以异养型微生物处理为主的污水处理厂做有效补充，进一步降低废水中可生物降解成分，满足现有污水处理系统提标改造和中水回用要求。

附图说明

图1本发明实现的工艺流程结构示意图

附图标记说明：池体1、进水管2、进水口3、填料4、曝气管5、集泥区6、排泥管7、清水区8、滗水器9、排水管10、膜分离器11、浓缩水管12、清水管13。

具体实施方式：

下面结合实例进一步说明本发明，但并不是本发明内容范围的任何限制。

实施例1

根据附图1所示流程结构图，本实施方法为城市生活污水处理厂废水深度处理后中水回用做河道景观水。要求将执行《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级B标准的某污水处理厂提标改造，改造后污水作为景观水回用到河流，回用水标准参照执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中IV类标准中主要指标COD≤30mg/l、NH₃-N≤1.5mg/l。该污水处理厂采用改良氧化沟工艺，出水为一级B标准级别，冬季有氨氮超标情况。

如附图1所示，本发明工艺首先根据流体动态模拟软件，优化中试装置水力流态设计，结合经验，中试反应池水力有效停留时间为1-4小时可调，通过折流隔板设置为4格；膜分离器采用3μm孔径碳化硅陶瓷膜；在控制工艺条件下，进行中试装置的启动，通过逐渐增加负荷，使自养型微生物为主优势菌得到驯化和快速繁殖，经1个月的调试启动，系统达到稳定运行状态。稳定后运行的载体填料密度接近于水的密度，相差在2％以内；微生物容积负荷高达到8.2kgBOD₅/(m³·d)，比表面积为25.1m²/g。通过中试证明在常温及低温条件下，不需要外加碳源的情况下，本发明工艺均具有显著的脱氮效果，最佳HRT为1.3h，氨氮负荷为0.67kgNH₃-N/(m³.d)，冬季平均NH₃-N去除率为95.3％，其他时间氨氮平均去除率均在96％以上。经处理后废水非常清澈，经测废水平均SS浓度低于5mg/l。碳化硅膜过滤器过流流速为2m/s，反冲洗时间设定为1天一次，反冲洗耗水量极少，约为1％。

最终统计经处理后出水水质稳定，达到COD≤12mg/l、NH₃-N≤1.2mg/l，直接运行成本仅为电耗，无其他药剂消耗。中试规模放大至2万t/d考虑，直接运行成本约为0.12元/t。

结合本次实例，本发明工艺COD去除效率大于80％，氨氮降解效率大于95％，均好于设计要求。

实施例2

根据附图1所示流程结构图，对实施例1中废水进一步深度净化，要求达到电厂冷却塔回用水标准，即COD≤20mg/l、NH₃-N≤1.0mg/l。

保持实例1中试设备不变，将折流板设置为5格，经测试最佳HRT为1.4h，微生物容积负荷仍在6.5-6.9kgNH₃-N/(m³.d)间，变化不大，但氨氮去除效率显著增大，经测平均去除效果在98％以上，经处理后COD平均值为9.8mg/l、NH₃-N平均值为0.78mg/l，同样效果稳定持久，满足电厂冷却塔回用水的要求。

实施例3

根据附图1所示流程结构图，对南美对虾养殖废水进行深度净化，要求达到养殖废水回用标准，即：总氮<10mg/l，NH₄-N<1mg/l，亚硝态氮<0.3mg/l。

保持实例1中试设备不变，将折流板设置为4格，经测试最佳HRT为2.6h；采用0.1μm碳化硅膜，分离出水和提供浓缩，使微生物容积负荷提升至6.7-8.2kgNH₃-N/(m³.d)间，氨氮去除效率显著增大，经测平均去除效果在98％以上，经处理后COD平均值为5.6mg/l、SS降低到5NTU，NH₃-N平均值为0.45mg/l、亚硝态氮未检测出，总氮值平均值为4.0mg/l，出水清澈通透，满足南美对虾养殖回用水的要求。

Claims (6)

1.一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其特征在于： 

(1)采用易生物吸附、空隙率高、弹性好、韧性强、化学性能稳定的网状填料，该填料空隙率达5ppi，有机负荷高达8.5kgBOD₅/(m³·d)，比表面积在18-45m²/g间；该填料显著特征是固定化微生物后载体平均密度与水的密度十分接近，载体在水中呈稳定的悬浮状；该填料为网型宽孔高分子载体，填料在生产过程中进行催化和改性处理，表面带有某些亲水性基团以及氨基、羧基、环氧基等活性基团，能与微生物肽链氨基酸残基链接形成离子键结合或共价键结合，进而将微生物及生物酶固定在载体上，该载体不仅适合真菌、丝状菌和菌胶团等微生物吸附挂膜，还适合多种捕食细菌的原生动物和后生动物，能够形成了具有稳定食物链的微型生态系统，并且污泥产生量很小。基于填料结构形式，反应池内部可同时实现无数个好氧、缺氧和厌氧状态的微小区域，并可在流化状态下相互转换，具有优良的脱氮效果。另外该填料切割气泡能力强，空间体积利用率大、无死区等特点，使用后反应池体有效体积在95％以上。 

(2)该工艺采用适应低碱度、低pH值水质且抗负荷波动的特种优势细菌。该类菌种显著特点是以自养型微生物为主，与前端二级处理中起主要作用的异养型菌种不同，该类菌种特点是对BOD₅浓度要求低于35mg/l，且越低越好，以防止异养菌菌种成为优势菌种；该反应系统不需要外加碳源。 

(3)反应池体上设进水口和出水口，中间设多级折流隔板，将反应池分割为多个部分，排列可为均匀分布或不均匀分布，数量设置在3-11个间，主要作用为提高传质效率，增加污水与载体的接触；折流隔板间设置上拦截网和下拦截网，可将生物填料固定在中间。第一级折流板区域拦截网下方设置穿孔曝气管和回流浓缩水管，池体底部设置污泥收集沟和排泥管。 

(4)出水采用过滤精度高、通量大、稳定可靠的无机膜分离器，尤其是采用高通量的碳化硅膜、复合陶瓷膜、不锈钢膜，实现高效分离，从而有效保证高效的脱磷效果。根据出水排放或回用要求，过滤精度选范围在0.05-10μm；采用错流过滤，流速选范围1-5m/s，推荐2m/s；根据进出水量和场地面积，过滤压力选0.1-10MPa，综合占地、投资和能耗间平衡，设计推荐1-3MPa。 

(5)采用分离和回流无缝衔接的工艺组合。经无机膜分离器分离的清水直接排放或回用，浓缩水返回至反应池体第一级，通过浓缩水管回流，该设计可大幅延长污水中污染物停留时间，理论上可将反应器有效反应时间延长至无限，解决了氨氮和难降解有机物降解需要较长时间污泥龄和短水力停留时间的矛盾，可充分保证污染物得到降解，在处理高氨氮及总氮和难降解有机物的分解上具有显著优势，同时大幅降低反应器占地面积和容积，显著减少投资。 

(6)创造出高效的流化作用，同时实现高效节能曝气。以上作用的实现主要通过两个设置来完成：一是曝气采用易维护、成本低、水头损失小、扰动大的穿孔曝气管，所产生的气泡能够充分扰动填料层，实现流化效果，同时气泡被网状填料切割成细小气泡，增加了氧的利用率，可减小曝气量；二是池体出水采用集水面积大的可调浮力滗水器，主要收集池体表层水。由于大气氧分压的存在，表层水中超饱和富氧水含量高，经收集和膜分离后直接通过布水管回流至反应池，在实现回流冲刷的同时，增大水体溶解氧量，进一步减少曝气量。 

2.根据权利要求1所述的一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其特征在于将曝气生物流化池与无机膜分离进行结合，实现延长反应时间和高效分离的新工艺。 

3.根据权利要求1所述的一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其特征在于采用高空隙、易微生物附着、在水中呈悬浮态的网状填料。 

4.根据权利要求1所述的一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其特征在于采用自养型菌种微生物为主的生物降解体系。 

5.根据权利要求1所述的一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其特征在于采用无机膜分离器，实现高效分离和污染物回流。 

6.根据权利要求1所述的一种水气流化生物载体膜分离废水深度处理的方法，其特征在于采用滗水器收集上部表层水回流，与下部设置穿孔管曝气，增大水相和气相流化效果。 

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